用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的nafion復(fù)合膜研究 (1)

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1、第一章綜述第一章綜述1.1燃料電池概述燃料電池是一種能將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置，被認(rèn)為是“21世紀(jì)最理想的發(fā)電技術(shù)”之一[1]。燃料電池以H2、甲醇等為燃料，以純O2或空氣為氧化劑，在運(yùn)行過(guò)程中，按照電化學(xué)原理將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。與其他發(fā)電技術(shù)相比，燃料電池因未經(jīng)過(guò)燃燒而直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，所以不受卡諾循環(huán)的限制，具有很高的能量轉(zhuǎn)化率。燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)40%~60%[2]，而傳統(tǒng)的煤發(fā)電等技術(shù)因經(jīng)過(guò)多步能量轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)化效率僅為30%~40%[3]。燃料電池以H2為燃料時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物只有水，對(duì)環(huán)境不造成污染，是一種環(huán)境友好

2、的發(fā)電技術(shù)。因其具有高效環(huán)保、噪音小、壽命高和可連續(xù)發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，燃料電池在航空航天、電動(dòng)汽車、分布電站以及便攜式電源等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。依據(jù)電解質(zhì)分類，燃料電池可分為磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）、堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）、固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）[4]。如今燃料電池的

3、發(fā)展已具有一百多年的歷史。1839年，英國(guó)科學(xué)家格羅夫（W.R.Grove）發(fā)明了第一個(gè)燃料電池裝置。他將裝有鉑絲電極的兩個(gè)試管浸在硫酸溶液中，分別向試管中通入氫氣和氧氣，當(dāng)氣體與電極和溶液接觸時(shí)獲得了0.5~0.6V的電壓。該裝置被命名為氣體伏打電池[5]。1889年，蒙德（L.Mond）和朗格爾（C.Langer）組裝了一個(gè)“新型氣體電池”，并首次使用了“燃料電池”這一術(shù)語(yǔ)[6]。1959年，培根（F.T.Bacon）成功建造了壓濾機(jī)式堿性燃料電池電堆，該電堆的功率達(dá)到6kW，并成功為叉車、焊接機(jī)提供動(dòng)力[7]。20世紀(jì)60年代，美國(guó)通用電氣公司設(shè)計(jì)出更高效的質(zhì)

4、子交換膜燃料電池，并成功服務(wù)于美國(guó)NASA的“雙子星”計(jì)劃。堿性燃料電池也成功用于“阿波羅”登月飛船和“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)上。多年的發(fā)展使燃料電池技術(shù)不斷取得進(jìn)步，逐漸邁向商業(yè)化。20世紀(jì)70~80年代世界出現(xiàn)嚴(yán)重的能源危機(jī)，世界各國(guó)制定了一系列發(fā)展計(jì)劃來(lái)支持燃料電池的研究，大大促進(jìn)了燃料電池的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，燃料電池技術(shù)日漸成熟，但人們?nèi)栽诓粩嗟匮芯刻剿饕越档腿剂想姵氐某杀?，使其能夠大?guī)模商業(yè)化。隨著汽車數(shù)量的增加，傳統(tǒng)燃油汽車對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，質(zhì)子交換膜燃2萬(wàn)方數(shù)據(jù)第一章綜述料電池汽車作為最有前途的新能源環(huán)保汽車之一正逐步成為世界汽車企業(yè)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)

5、。通用公司在美國(guó)多個(gè)地區(qū)投放了100輛雪佛蘭Equinox氫燃料電池汽車，2009年汽車的總行駛里程達(dá)到了160萬(wàn)千米[8]。日本豐田公司研制的燃料電池汽車在實(shí)際測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了在－37℃順利啟動(dòng)，一次加氫行駛里程達(dá)到了830km[9]。奔馳公司生產(chǎn)的B級(jí)燃料電池汽車通過(guò)環(huán)球旅行展示了其卓越的性能，其續(xù)航里程、加速性能等已與傳統(tǒng)汽油車相當(dāng)[10]。近年來(lái)車用燃料電池技術(shù)取得了很大的發(fā)展，但是目前燃料電池汽車仍處于示范階段。燃料電池在商業(yè)化的道路上仍面臨著高成本、低壽命等一系列瓶頸問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)民用依然面臨著巨大挑戰(zhàn)[11]。1.1質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（PE

6、MFC）不僅具有能量轉(zhuǎn)化率高、環(huán)保的特點(diǎn)，同時(shí)還具有低溫快速啟動(dòng)、水容易排出、無(wú)電解液流失、比能量高等特點(diǎn)[12]。因此，它特別適宜用作可移動(dòng)電源，是電動(dòng)汽車和潛艇的理想電源之一。在未來(lái)以氫作為主要能源的氫能時(shí)代，它也是最佳的家庭動(dòng)力電源[13]。隨著電動(dòng)汽車研究熱潮的到來(lái)，PEMFC取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，已成為最接近商業(yè)化的燃料電池[14]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）單電池主要由膜電極（MEA）、雙極板和密封墊片三部分組成（見(jiàn)圖1-1）。雙極板的兩側(cè)具有使氣體均勻分布的流場(chǎng)，起支撐膜電極、收集電流、分隔氧化劑和還原劑并引導(dǎo)它們?cè)陔姌O表面流動(dòng)的作用。膜電極是PEF

7、MC的核心組成部分，由氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜通過(guò)熱壓制備而成[15]。氣體擴(kuò)散層通常由導(dǎo)電子的多孔材料構(gòu)成，起收集電流和傳輸/分布反應(yīng)氣體以及水的作用，應(yīng)具有良好的排水性、透氣性和導(dǎo)電性。催化層是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，必須能夠?yàn)橘|(zhì)子、電子和反應(yīng)氣體提供連續(xù)的傳輸通道，同時(shí)還能夠及時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)生的水。質(zhì)子交換膜是PEMFC的關(guān)鍵部分，將陽(yáng)極處的燃料和陰極處的氧化劑阻隔開(kāi)來(lái)，并將反應(yīng)過(guò)程中生成的質(zhì)子從陽(yáng)極側(cè)傳遞到陰極側(cè)[16]。3萬(wàn)方數(shù)據(jù)第一章綜述圖1-1PEMFC單電池結(jié)構(gòu)示意圖[17]Fig.1-1StructureofsinglebatteryofPE